OS是什么？

OS的目标

1.方便性

-面向用户
-极大方便用户操作

2.有效性

-面向系统
-提高系统资源利用率(推动OS发展的最主要动力)
-提高系统吞吐量

3.可扩充性

-推动OS结构的不断发展
-OS结构：无结构—模块化结构—层次化结构—微内核结构…

4.开放性

-OS应遵循世界标准规范，特别是开放系统互连OSI标准
-遵循标准都能彼此兼容，方便实时互连。

OS的作用

1.作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来使用计算机
用户可以通过命令方式、系统调用方式、图标-窗口方式实现与操作系统的通信

2.作为系统资源的管理者

一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。归纳起来分为：处理机、存储器、I/O设备、文件（数据和程序）。

OS即对这四部分进行管理
-处理机管理负责分配和控制处理机；
-存储器管理负责内存的分配与回收；
-I/O设备管理负责I/O设备的分配（回收）与操纵；
-文件管理用于实现对文件的存取、共享和保护。

为避免用户对计算机共享资源的使用冲突，OS必须对使用资源的请求进行授权，以协调诸用户对共享资源的使用。

3.实现对计算机资源的抽象

为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖了一层I/O设备管理软件，由它来实现对I/O设备操作的细节，并向上将I/O设备抽象为一组数据结构以及一组I/O操作命令，使用户输入数据无需关心I/O是如何具体实现的。

推动OS发展的主要动力

1.不断提高计算机资源利用率
2.方便用户
3.器件的不断更新换代
4.计算机体系结构的不断发展
5.不断提出新的应用需求

OS的发展过程

1.未配置操作系统

人工操作方式

缺点：
-用户独占计算机
-CPU等待人工操作

脱机输入/输出（Off-Line I/O）方式

一个作业完成了，再装载另一个作业。

优点：
-减少了CPU的空闲时间
-提高了I/O速度

2.单道批处理系统

监督程序(monitor)
运行控制权

概念: 系统对作业的处理都是成批进行的、且
-内存中始终只保持一道作业，称为单道批处理
-系统(simple batch system) 。

批处理系统的引入是为了提高系统资源的利用率和吞吐量

单道批处理系统特征
自动性、顺序性、单道性

3.多道批处理系统

系统中同时驻留多个作业

多道引入的优点:
-提高CPU利用率
-提高内存和I/o设备利用率
-提高了系统吞吐量

缺点:
-平均周转时间长、无交互能力

特征
-多道性
-无序性
-调度性(作业调度、进程调度)

多道批处理系统需解决的问题
-处理机管理问题
-内存管理问题
-I/O管理问题
-文件管理问题
-作业管理问题

4.分时系统（Time Sharing System）

4.1 分时系统的引入

概念:
指一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户共享主机中的资源，各个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机。

用户的需求
-人机交互性
-共享主机
-便于用户上机

4.2 分时系统在实现中的关键问题

-及时接收:多终端卡、输入缓冲区
-及时处理:交互作业应在内存、响应时间应短

4.3 分时系统的实现方法

交互式作业直接进入内存

分配时间片方式实现
-把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。若某个作业在分配给它的时间片内不能完成其计算,则该作业暂时中断，把处理机让给另一作业使用，等待下一轮时再继续其运行。
-由于计算机速度很快，作业运行轮转得很快，给每个用户的印象是，好像他独占了一台计算机。

4.4 分时系统的特征

-多路性
-独立性
-及时性
-交互性

5.实时系统（Real Time System）

5.1 实时系统的引入（要求及时处理的场合）

概念:
系统能及时响应外部事件的请求，在规定时间内完成对该事件的处理。
类型：
-实时控制
-实时信息处理

5.2 实时任务类型

按任务执行是否呈现周期性来划分
-周期性的(联系周期)
-非周期性的(联系开始或完成截止时间)
根据对截止时间的要求来划分
-硬实时任务
-软实时任务

5.3 实时、分时的比较

-多路性:相同
-独立性:相同
-及时性:实时系统要求更高
-交互性:分时系统交互性更强
-可靠性:实时系统要求更高

OS的基本特性

1.并发

-并行是指两或多个事件在同一时刻发生。
-并发是两或多个事件在同一时间间隔内发生。
-进程:系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。引入线程后，独立运行的单位变为线程。

2.共享

-系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用
-互斥共享:一段时间只允许一个进程访问该资源
-同时访问:微观上仍是互斥的

3.虚拟

-通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物。若n是某一物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则虚拟设备的速度必然是物理设备速度的1/n。

4.异步

-运行进度不可预知

OS的主要功能

1.处理机管理功能

1.1 进程控制

-创建/撤消进程
-迁移进程状态
-一般由进程控制原语完成

1.2 进程同步

-为使多个进程有条不紊地运行，应建立同步机制
-包括进程互斥/同步，次序协调

1.3 进程通信

源于进程合作，如:输入进程、计算进程、打印进程相互间有信息传递
类型:
-直接通信:
进程A发message,进程B收message。
-间接通信:
进程A发message到中间实体( 如mailbox)，进程B从中间实体收message。

1.4 调度(作业与进程)

作业调度:
为作业分配必要资源，调入内存建立进程，并使之进入就绪队列。

进程调度:
从就绪队列中选出进程，分配CPU,使之运行。

调度算法:
FCFS、 优先权等

2.存储管理

目的:
方便用户使用，且提高存储器利用率

2.1 内存分配

-静态分配
-动态分配

需内存分配的数据结构及内存分配和回收功能

2.2 内存保护

例:
设置上、下界寄存器，每条指令进行越界检查(一般是硬件实现)

2.3 地址映射

-地址范围： 地址
-逻辑空间： 逻辑地址(相对地址)
-物理空间： 物理地址(绝对地址)

2.4 内存扩充

-利用虚存技术，从逻辑上扩充内存容量
-系统应有:请求调入/置换功能以支持虚存技术

3.设备管理功能

任务: 提高1/0利用率和速度，方便用户

3.1 缓冲管理

-缓冲区:用来解决CPU-I/0矛盾， 如: CPU快则应多创建缓冲区。

3.2 设备分配

-包括:设备、设备控制器、I/O通信的分配和回收

3.3 设备处理

-指控制设备进行实际的操作，包括读、写等以及向CPU发中断。
-设备处理/驱动程序应能根据用户的I/0请求，自动地构成通道程序。

3.4.设备独立性和虚拟设备

-独立性：即program与设备无关性，使program 易于重定向，增加了可移植性。
-虚拟设备

4.文件管理功能

任务: 方便用户，提供安全性

4.1 文件存贮空间的管理

-例:creatfile:文件系统根据文件长度自动分配连续或离散的扇区，并提供“一句柄”表示该文件。

4.2 目录管理

-使用户按名存取，提高速度。

4.3 文件的读、写管理和存取控制(保护)

5.用户接口

5.1 命令接口.

由一组“命令”集组成，分为联机和脱机用户接口
1.联机用户接口
-由一组键盘操作命令及命令解释程序所组成
2.脱机用户接口(批处理用户接口)
-用JCL写作业说明书

5.2 程序接口

-系统调用
-高级语言的库函数

5.3 图形接口

-如win的copy文件，采用“拖”来完成，生动，不需记忆

OS结构设计

1.传统操作系统结构

1.1 无结构操作系统

一组过程集，各过程可相互调用，也叫整体系统结构。
缺点: 逻辑复杂,维护困难

1.2 模块化操作系统

-通过分解来控制大型软件复杂度：
如:进程模块、内存模块…，各模块内进一步划分子模块。
优点:
-提高OS设计的可维护性、正确性、可理解性
-增强OS的可适应性
-加速OS的开发过程:并行开发模块
缺点:
-接口不易确定
-模块依赖关系可能复杂(对于大型软件而言)

1.3 分层式操作系统

有序分层的基本概念：
-可简化设计的复杂度
-下层为上层提供服务
层次的设置应考虑的因素：
-程序嵌套：各模块间嵌套关系复杂
-运行频率：随层次的增高，相应软件的运行速度就随之下降
-公用模块：低层
-用户接口：高层

2.微内核操作系统结构

-提高了系统的灵活性和可扩充性
-提高了软件的可靠性
-适合于分布式系统

面向对象的程序设计技术
优点:
-可扩展性
-继承性
微内核技术
-引入:提高系统的灵活性
-采用C/S模式
基本功能：
进程、内存、IPC等基本管理功能